(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造ケースと、
ライナアセンブリと、
前記ライナアセンブリを前記構造ケースに連結するように径方向に適合された取付け機構と、を備えたタービンエンジンファンケースアセンブリであって、前記取付け機構が、
前記ライナアセンブリに取り付けられた、周方向に分散された複数の長手方向に伸長する径方向外側に開口したチャネルと、
前記構造ケースに取り付けられるとともに、それぞれ、対応する前記チャネル内に収容された、対応する複数の内側に突出した凸縁部と、
を備えたタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項２】
前記凸縁部が、それぞれ、Ｔ字断面のレール部を備え、前記Ｔ字断面の腕部が前記構造ケースに取り付けられたフランジを形成するとともに、前記Ｔ字断面の脚部が凸縁を形成する、複数の凸縁部材であり、
前記チャネルが、断面において、チャネル基部と、前記基部の両側から径方向外側に延在する一対の側壁と、前記一対の側壁の径方向外側縁部から周方向外側に延在する一対の取付けフランジと、を有する部材によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項３】
前記Ｔ字断面のレール部の各々が、非金属のレールであり、前記部材が非金属の部材であることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項４】
前記非金属のレールが、射出成形された熱可塑性樹脂を備え、
前記非金属の部材が、射出成形された熱可塑性樹脂を備えることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項５】
前記チャネルが、ハニカム材料内部に延在することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項６】
４個〜１０個の前記チャネルおよび前記凸縁部を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項７】
前記チャネルは、前方から後方へと深さが増加することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項８】
前記凸縁部は成形または押し出し成形されたプラスチックであり、前記チャネルは成形または押出し成形されたプラスチックであることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項９】
前記構造ケースが、主にその熱膨張を規定する非金属部材を備え、
前記ライナアセンブリが、主にその熱膨張を規定する金属部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項１０】
前記非金属部材が、炭素繊維部材を備えることを特徴とする請求項９に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１に記載のタービンエンジンファンケースアセンブリと、
そのファンケースによって包囲されたファンと、
を備えたタービンエンジン。
【請求項１２】
前記構造ケースが、主にその熱膨張を規定する非金属部材を備え、
前記ライナアセンブリが、主にその熱膨張を規定する金属部材を備え、
前記ライナアセンブリの金属部材が、前記ファンのブレードの熱膨張係数の５％以内の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１１に記載のタービンエンジン。
【請求項１３】
前記ファンが、金属ブレードを有し、
前記構造ケースが、主にその熱膨張を規定する非金属部材を備え、
前記ライナアセンブリが、主にその熱膨張を規定する金属部材を備えることを特徴とする請求項１１に記載のタービンエンジン。
【請求項１４】
ライナアセンブリに取付けるための、長手方向に伸長する径方向外側に開口したチャネルと、
構造ケースに取付けるための、前記チャネル内に収容されるように形成された、内側に突出した対応する凸縁部と、
を備えたタービンエンジンファンケースのライナ取付け機構。
【請求項１５】
前記内側に突出した凸縁部が、Ｔ字断面の部材の脚部によって形成されることを特徴とする請求項１４に記載のタービンエンジンファンケースのライナ取付け機構。
【請求項１６】
前記径方向外側に開口したチャネルが、一対の周方向外側に延在する部分を更に備えたＵ字断面を有するように形成されることを特徴とする請求項１４に記載のタービンエンジンファンケースのライナ取付け機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンに関する。特に、本発明はファン先端部の間隙の調節に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボファンエンジンでは、ファン材料とファンケース材料との違いが熱的に誘導される摩擦の一因となる。タービンエンジンファンおよびそれらのケースは運転期間に亘り熱膨張差を経験する。例えば、地上では大気温度の通常範囲に曝される（例えば、一例の周囲温度が２１°Ｃでは２０Ｃ°〜４０°Ｃ）。一方、飛行中では、一般的に温度は低下する。エンジンのその他の部分は熱に曝されるのに対し、ファンおよびファンケースの温度は一般に飛行高度により低下する（例えば、一例では−６０°Ｃ〜−４５°Ｃ）。一例の地上から飛行高度までの温度低下は、５０°Ｃを上回り、より厳密には、６０〜８０°Ｃ、または一例では７０°Ｃである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例示の金属ファンおよび非金属のファンケース（またはその構造部）では、温度の低下によりファンケースよりもファンの直径を減少させる（ファンが、ファンケースの構造部よりも高い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するため）。ファンケースの内側面が構造ケースとともに径方向に移動するとき、ファンブレード先端部とファンケースとの間の隙間が増大し、それにより潜在的に性能に欠陥を生じさせる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様は、タービンエンジンファンケースアセンブリに関する。この態様は、構造ケースと、ライナアセンブリと、を備える。径方向に適合された取付け機構が、ライナアセンブリを構造ケースに連結する。この取付け機構は、ライナアセンブリに取り付けられた、周方向に分散された複数の長手方向に伸長する径方向外側に開口したチャネルを備える。この取付け機構は、構造ケースに取り付けられた、対応する複数の内側に突出した凸縁部をさらに備える。各凸縁部は、それぞれ、対応するチャネル内に収容される。
【０００５】
その他の態様は、こうした機構自体と、チャネル、凸縁部、およびそれらのペアを含むそのコンポーネントと、を含む。したがって、追加の、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、凸縁部が、それぞれ、Ｔ字断面のレール部を備えた凸縁部材であり、そのＴ字断面の腕部が構造ケースに取り付けられたフランジを形成するとともに、Ｔ字断面の脚部が凸縁部を形成し、チャネルが、断面において、チャネル基部と、その基部の両側から径方向外側に延在する一対の側壁と、その一対の側壁の径方向外側縁部から周方向外側に延在する一対の取付けフランジと、を有する部材によって形成される。さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、Ｔ字断面のレール部の各々は、非金属のレールであり、前記の部材は非金属部材である。
【０００６】
さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、非金属のレールが、射出成形された熱可塑性樹脂を備え、非金属の部材が、射出成形された熱可塑性樹脂を備える。
【０００７】
さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、チャネルは、ハニカム材料内部に延在する。さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、４個〜１０個のチャネルおよび凸縁部を備える。さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、それらのチャネルは、前方から後方へと深さが増加する。さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、凸縁部は成形または押し出し成形されたプラスチックであり、チャネルは成形または押出し成形されたプラスチックである。
【０００８】
さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、構造ケースが、主にその熱膨張を規定する非金属部材を備え、ライナアセンブリが、主にその熱膨張を規定する金属部材を備える。さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、その非金属部材が、炭素繊維部材を備える。
【０００９】
更なる態様では、タービンエンジンが、前述の実施例のいずれかのファンケースアセンブリと、そのファンケースによって包囲されたファンと、を備える。さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、構造ケースが、主にその熱膨張を規定する非金属部材を備えるとともに、ライナアセンブリが、主にその熱膨張を規定する金属部材を備え、ライナアセンブリの金属部材は、ファンのブレードの熱膨張係数の５％以内の熱膨張係数を有する。
【００１０】
さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、ライナアセンブリに取付けるための、長手方向に伸長する径方向外側に開口したチャネルと、各チャネル内に収容されるように形成された、構造ケースに取付けるための、内側に突出した対応する凸縁部と、を備える。
【００１１】
本発明の別の態様は、ファンケースのライナ取付け機構を含む。ライナアセンブリに取付けるための、長手方向に伸長する径方向外側に開口したチャネルが設けられる。各チャネル内に収容されるように形成された、構造ケースに取付けるための、内側に突出した対応する凸縁部が設けられる。
【００１２】
さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、内側に突出した凸縁部が、Ｔ字断面の部材の脚部によって形成される。さらに、または前述の実施例のいずれかの代替実施例では、径方向外側に開口したチャネルが、一対の周方向外側に延在する部分を更に備えたＵ字断面を有するように形成される。
【００１３】
一つ以上の実施例の詳細を添付の図面および以下の説明に記載する。その他の特徴、対象、および利点が説明、図面、および請求の範囲から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ターボファンエンジンの軸方向断面図。
【図２】図１のエンジンのファンケースの軸方向断面図。
【図２Ａ】図２のファンケースの一部の拡大図。
【図３】線３−３に沿って切断した、ファンケースの横断面図。
【図３Ａ】図３のファンケースの上部の拡大図。
【図４】ファンケース内の取付け機構のチャネルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は中心線すなわち中央長手方向軸５００を有するターボファンエンジン２０を示す。エンジンは、その前端／上流側端部にファン２２を含む。ファン２２はファンブレード２４の周方向の列を有する。一例のブレード２４は、それぞれ近位端２８から遠位端すなわち先端部３０へと延在するエーロフォイル２６を有する。各ブレードエーロフォイルは前縁３２から後縁３４へと延在するとともに、正圧側３６および負圧側３８を有する。各ブレードは、エーロフォイルの内側に、ファンハブ４４の相補特徴部（例えば、スロット）４２に取り付けられた取り付け根元部４０を含む。ブレード先端部３０は、ファンケース４８の内部表面／内側面４６に向かい合って極めて近接する。一例のファンケース４８はエアロダイナミックファンナセル５０内にある。ナセル５０は上流側端部／リム５２から下流側端部／リム５４へと延在する。
【００１６】
ファンの下流側には、コア流路６０に沿って順番に、一つ以上の圧縮機セクション６２，６４と、燃焼器セクション６６と、一つ以上のタービンセクション６８，７０と、がある。一例のエンジンには、２つの圧縮機セクションと、２つのタービンセクションと、がある。低圧圧縮機セクション６２が、シャフト７２を介して低圧タービンセクション７０に連結される。同様に、高圧圧縮機セクション６４が、シャフト７４を介して高圧タービンセクション６８に連結される。各タービンセクションによって駆動された圧縮機セクションが、順次に、ファンから受け入れた空気のコア流を圧縮し、圧縮空気が燃料と混合される燃焼器へと供給され、燃焼されて、高圧燃焼ガスを発生させる。これらのガスは順次にタービンセクション内で膨張され、次いで圧縮機セクションを駆動する。圧縮機セクションおよびタービンセクションの各々は、ベーンの段が組み入れられた一つ以上のブレードの段を含む。ファンは、タービンセクションの一つによって直接または間接的に駆動される。例えば、ファンが中心線を中心としてシャフト７２よりも低速で回転するように、ファンがトランスミッションによりシャフトに連結されてもよい。
【００１７】
コア流路がエンジンケース８０を通流する。エンジンケースはエアロダイナミックナセル８２内にある。ベアリングシステムがシャフトおよびファンを、中心線５００を中心として回転させるように、エンジンケースに対して支持する。ストラット８４の周方向の列がファンケースをエンジンケースに対して配置する。一例のストラット８４はファンの後部／下流側にあり、コア流路の外側のバイパス流路８６に亘って延在する。
【００１８】
エンジンを航空機に配置するように、パイロン９０が航空機機体または翼に取り付けられた近位端（図示せず）を有する。パイロンの遠位端はエンジンに取り付けられる。一例の取り付けはファンケースおよびエンジンケースの両方への連結部を含む。
【００１９】
ファンブレードはファンの回転に関連した慣性力（遠心荷重）に起因する径方向膨張を受ける。ファンブレードはまた、ファンブレードの材料特性に影響される熱膨張（例えば、熱膨張係数（ＣＴＥ））を受ける。ファンケースもまた、熱膨張を受ける。運転中、ファンブレードの先端部と、隣接するファンケースの内側表面部分との間には通常、間隙または隙間が存在する。一方では、エンジン効率を維持するようにこの間隙を小さく維持することが望ましい。他方では、摩擦を生じさせるほど十分にこの間隙が近接するのを防ぐことが概ね望ましい。
【００２０】
ライナを径方向に収容することにより、エンジン運転中のファンブレード先端部の間隙の変動を最小限に抑えうる。この収容により、格納ケースの熱膨張に関係なく、ライナの熱膨張をブレード材料に一致させ、それによりファン及びケースの両方の材料特性の最適な選択を可能にして、重量を最小限に抑え、性能を最大化する。
【００２１】
図２はファンケースの更なる詳細を示す。ファンケースは、格納ケース１００を備えた構造部材／ケースを含む。一例の格納ケースは複合材（例えば、炭素繊維およびエポキシ樹脂）として形成される。一例の格納ケースは完全に円周／フープ状の構造体である。一例の格納ケースは上流リム／端部１０２から下流リム／端部１０４へと延在する。格納ケース１００は内部表面／内側面１０６と、外部表面／外側面１０８と、を有する。上流端部１０２に近接して、格納ケースは径方向外側に突出したフランジ１１０を有する。ファンケースは格納ケースの下流端部に取り付けられるとともにこれを取り囲む取付けリング構造体１２０をさらに含む。取付けリング構造体は金属（例えば、チタンまたはアルミニウム）で形成され、（例えば、取付け突起１２４を介して）パイロンの前方エンジン部分に取り付けるためのＵリンクまたはその他の取付け構造１２２を有する。上流から下流に向かって、構造体が内側面１０６に取り付けられてコア流路の外側境界部を局所的に画定する。上流端部１０２に近接するのが、前方アコースティックライナ１３０である。これはハニカム形状を成す（例えば、ライナ１３４（例えば、ガラス繊維）（図２Ａ）を有するポットハニカム１３２（例えば、アルミニウム合金））。ライナとハニカムとが、接着剤（例えば、ハニカムを内側面１０６にも接合するエポキシ接着剤）を介して接合されうる。
【００２２】
前方アコースティックライナ１３０の下流／後方がアブレイダブルライナアセンブリ１４０である。ライナアセンブリ１４０は、ファンブレード先端部に向かい合って極めて近接する内側面１５２を有するアブレイダブル摩擦材料１５０（例えば、エポキシをアラミドハニカムに充填した）を含む。アブレイダブル摩擦材料の外側面がアルミニウム隔壁１５６の内側面に取り付けられる。一例のアルミニウム合金隔壁１５６は本質的に完全な環形である（一体成形体として、または剛性接着されたセグメントとして連続的であり、任意選択的にライナの熱収縮の一次的動因となるように限定的な穴を有する）。アルミニウム隔壁１５６は周方向にセグメント化された楔形ハニカムのサンドイッチ構造体１６０の内側ライナを形成する。ハニカム１６０の外側境界線に沿って、同様にセグメント化されたアルミニウム合金ライナ／層１７０を支持する。ハニカム１６０は、その径方向の径間すなわち厚さが上流から下流へと増大して内側面１５２の局所的な収束をもたらす点で楔形である。
【００２３】
また、楔形のハニカムおよびアブレイダブル摩擦材料と本質的に長手方向に同一の広がりを有する、衝撃ライナ１８０が設けられるとともに、その外側面が格納ケースの内側面１０６に沿って取り付けられる。例示の衝撃ライナは複数のアラミド層およびエポキシ樹脂を備える。これは複合格納ケースとともにプレキュアおよび二次的に接着され、または共硬化（ｃｏ−ｃｕｒｅｄ）されてもよい。回転防止特徴部（以下に詳述する）を、このライナの内側面に接着してもよく、またはその前方または後方で直接ファンケースに接着してもよい。一例の回転防止特徴部は、チャネル部材１９２と凸縁（ｔｏｎｇｕｅ）部材１９４との対１９０の、周方向の列を備えた径方向に適合／対応した取付け機構によって形成される。各凸縁は関連するチャネル内に収容される。例示の凸縁部材１９４はＴ字断面を有し、Ｔ字の脚部２００が凸縁を形成するとともにＴ字の腕部すなわち頭部がフランジを形成した状態で、上流側／前端１９６から下流側／後端１９８へと延在する。例示のフランジは構造ケースに取り付けられる（例えば、その外側面が衝撃ライナの内側面に接着されるように間接的に）。例示のフランジは金属製である（例えば、アルミニウム合金）。例示のチャネル部材１９２は非金属性である（例えば、ガラス充填されたポリエーテルイミドなどの射出または圧縮成形されたプラスチック）。例示のチャネル部材は上流側／前端２０６（図４）から下流側／後端２０８へと延在する。例示のチャネル部材１９２は、チャネル基部２１４の両側から径方向外側に延在する一対の側壁２１０，２１２を備えたチャネル部を有する。チャネル部材は、各側壁２１０，２１２の径方向外側縁部から周方向外側に延在する一対の取付けフランジすなわちレール部２１６，２１８をさらに含む。例示のチャネルは、楔形ハニカム１６０の隣り合う周方向セグメントの間に長手方向に延在する。例示のチャネルは上流端から下流端へと延在するとともに実質的にアブレイダブル摩擦材料１５０と長手方向に同一の広がりを有する。例示のチャネルは、楔形ハニカムの厚さの増加に合わせるように上流端から下流端へと深くなる。例示の凸縁部材もまた、実質的にアブレイダブル摩擦材料およびチャネル部材と長手方向に同一の広がりを有する。別の実施例では、それらの凸縁部材を長手方向に全体的にまたは部分的にセグメント化しうる。この例示の凸縁２００でもまた、上流から下流へと深くなるすなわち径方向幅が増加する。この例示の増加は、凸縁の前方／上流部分のみに沿って拡大し、最終的に下流部分に沿って一定の径方向幅に到達するように延在する。それにより、重量を軽減しうる。
【００２４】
例示の凸縁部／チャネル部のペアの数は４〜１０個であり、より狭い範囲では、５〜８個、例示では７個を示す。各凸縁２００は、通常状態では、チャネル基部２１４の隣接する外側面２３２から径方向に離間された内側リム／縁部２３０を有する。例示の凸縁は、隣接する各側壁２１０，２１２の内側面と密接に向かい合うまたは摺動するように係合した、概ね平坦かつ互いに平行な一対の側面／周方向面を有する。この近接した収容により、熱膨張差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を考慮しながらライナと格納ケースとの同心性を維持する。この例では、格納ケースの熱膨張特性はその非金属材料（例えば、繊維複合材料）の熱膨張係数によって決定付けられるが、ライナアセンブリの熱膨張特性はその金属材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）（すなわち、隔壁１５６の熱膨張係数）によって決定付けられる。ファン材料、ファン構造ケース材料、およびライナ材料の異なる組合せにより、対応できる熱膨張差の相対的な方向に影響を及ぼしうる。
【００２５】
例示の凸縁の深さ（Ｔ字の脚部の径方向高さ）は、例示の局所的な位置において、および、凸縁の軸方向長さに亘って平均的に、２０〜５０ｍｍ（より狭い範囲では、３０〜４５ｍｍ）である。凸縁の例示的な軸方向長さは１５０〜３００ｍｍであり、より狭い範囲では２００〜２５０ｍｍ、より広い範囲では１００〜４００ｍｍである。例示の凸縁の厚さは２〜１０ｍｍ、より狭い範囲では３〜５ｍｍである。例示のチャネルの軸方向長さおよび厚さ（内部幅）は凸縁の長さおよび厚さと同様である。また例示の凸縁の深さ（Ｔ字の脚部の径方向高さ）は、例示の局所的な位置において、および、凸縁の軸方向長さに亘って平均的に、２５〜７５ｍｍ（より狭い範囲では、５０〜６０ｍｍ）である。
【００２６】
例示の実施例では、ファンブレードおよびそのハブ（集合的なファン）は金属製である（例えば、アルミニウム合金またはチタン合金）。ファン格納ケースはより熱膨張係数の低い材料で形成される。（その熱膨張／熱収縮の要因を形成する）ライナ構造材料はファンブレードの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する（例えば、ファンブレードの熱膨張係数の５％以内、より広い範囲では、７％以内）。例示の実施例では、ファンブレードはアルミニウムから形成され、ライナの構造コンポーネントはアルミニウムから形成される。離陸状態により高温がもたらされる（例えば、〜１２０°Ｆ（〜５０°Ｃ））。ライナは周方向に膨張する。回転防止特徴部により、ライナは強制的に径方向外側に膨張させられる。同様の材料であるため、ファンブレードもまた径方向に同様の割合で増大する。巡航状態では、ファン温度は非常に低い（例えば、約−６５°Ｆ（〜−５０°Ｃ））。低温によりライナは収縮する傾向がある。フープが収縮するに従い、回転防止特徴部がライナを強制的に径方向内側に移動させる。低温によりファンブレードもまた同様の割合で収縮する。このように、隙間におけるあらゆる負の熱影響を本質的に排除する受動的なクリアランスシステムがもたらされる。
【００２７】
図２Ａは、アブレイダブル摩擦材料の上流端部におけるシール機構２８０をさらに示す。これは、隔壁１５６の内側面の上流端部に沿って固定された下流端部を有するフラッシュブレーカテープ（ｆｌａｓｈ  ｂｒｅａｋｅｒ  ｔａｐｅ）２９０などを含む。アブレイダブル摩擦材料と前方アコースティックライナ１３０との間の隙間を埋めるように、テープ２９０の内側基部に沿って充填材２９２（例えば、ポリ硫化物のペースト）が形成される。
【００２８】
任意の上側を向いたチャネルにおいては、そのテーパ形により、蓄積した水の排水が可能となる。
【００２９】
製造においては、種々のライナコンポーネントが、湿潤エポキシ、および、硬化用のユニットとしてオートクレーブ処理される減圧バッグとともに、組み立てられてもよい。
【００３０】
更なる変形例の主なものとして、Ｔ字断面の凸縁部をＬ字断面の凸縁部に置き換えることが挙げられる。凸縁部材料およびチャネル材料の考えうる変形例の中には、その他の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、または、非金属材料と相互作用する金属材料を含む特定の実施例、および２つの非金属材料を含むその他の実施例を有する軽量の金属材料、が含まれる。被覆された金属もまた使用されうる。
【００３１】
一つ以上の実施例について記載した。しかしながら、種々の変更がなされうることが理解できるであろう。例えば、ベースラインエンジン構成の再設計／リエンジニアリングまたはこうしたエンジンの再製造において実施される場合、ベースラインの詳細が任意の特定の実施例に影響を及ぼすであろう。従って、その他の実施例は以下の特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３２】
１５０…アブレイダブル摩擦材料
１５２…内側面
１５６…アルミニウム隔壁
１６０…楔形ハニカム
１７０…アルミニウム合金ライナ／層
１８０…衝撃ライナ
１９０…チャネル部材と凸縁部材の対
１９２…チャネル部材
１９４…凸縁部材
２００…凸縁
２１０，２１２…側壁
２１４…チャネル基部
２１６，２１８…取付けフランジ／レール部
【図１】
0005480985.tif 000002
【図２】
0005480985.tif 000003
【図２Ａ】
0005480985.tif 000004
【図３】
0005480985.tif 000005
【図３Ａ】
0005480985.tif 000006
【図４】
0005480985.tif 000007